高晨曦
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摘要：用于测试分析转子动平衡的实验系统，不仅要能够尽量从现场汽轮机运转的实际情况出发，模拟转子的振动特性，而且要设计合理测量方式，便于测试。
通过对实验台总体分析，合理选用了机械系统的驱动装置，经过比较各种测试方法，选用电涡流传感器对转子振动特性进行测试，提出了整套测试装置设计方案。
关键词：汽轮机，振动，实验系统，动平衡
一、实验系统的设计
本实验系统作为分析转子动平衡的工具，从整体上应分成两部分，一是模拟系统，目的是创造一个动态环境，为研究转子振动及测试提供基础条件，它包括驱动装置、转子系统、实验台基础等；二是测试系统，目的是采用合理测试方法对转子振动特性进行监测，包括传感器、A/D 数字转换器、计算机等。
1.1模拟系统的设计
模拟装置设计的合理与否，直接关系到整个系统的安全可靠性及能否提供良好的研究测试条件。因此设备的选型结构的设计是非常重要的问题。
模拟系统从设计方面考虑可以分成两部分，一部分是动力装置的选择；另一部分是转子系统、实验台基础设计。在设计过程中一方面要考虑满足实验要求，另一方面还要考虑设计部分便于加工、制造。
1.1.1动力装置的选择
转轴在本实验系统中担负着传递动力的作用，它需要在电动机拖动下带动叶轮高速运转，作为本实验系统的驱动装置，电动机需要满足的条件有：a、能够完全负载叶轮转动所产生的阻力距；b、能够平稳启动和加速；c、最高转速达到 3000 转/分，并且能在 0～3000 转/分之间任意转速下匀速运转 ；d、运转平稳，正常运转时产生的振动较小。
经过比较计算，选择北京电机总厂生产的 YVP 系列变频电机，它的控制装置
（变频器）是三菱变频器，额定电压为 380 伏，额定功率为 7.5 千瓦，完全满足实验台的功率及运转要求
1.1.2联轴器的选择
选择联轴器的类型应根据使用要求和工作条件来确定，具体选择时可考虑以下几点：
1、传递转矩大小和性质及对缓冲、减振方面的要求。
2、工作转速高低，一般不应超过相应联轴器的许用转速。
3、由制造、安装误差，轴受载变形等引起的两轴线对中偏移，难以保证严格对中，应选可移动式联轴器。
4、联轴器的制造、安装、维护及其成本，工作环境，使用寿命等。
根据上述的条件并结合本实验特点，则选用凸缘联轴器，其特点和应用见表2—2。
选定联轴器后，可按转矩、轴径和转速等条件确定标准联轴器的型号。
计算扭矩T c 按下式确定：
表 2—2 凸缘联轴器的其特点和应用
1.1.3轴承的选择
为了防止转轴发生轴向位移，轴承选用向心球轴承，型号为 7311E 经过强度校核，完全符合要求。
转子系统和基础的设计
由于转子系统和基础设计较为复杂，本文下两章对转子系统和基础进行专门的设计计算。
1.2测试系统的设计与研究
1.2.1测振仪器的主要技术性能
从正确选择和使用仪器的要求出发，我们应该掌握的测振仪器的主要技术性能如下：
(1)灵敏度：仪器的输出量与被测振动量的比值，它反映了仪器的灵敏程度；
(2)测量范围或称动态线形范围：保持输入信号和输出信号成线形关系时， 输入信号幅值在允许范围内变化；
(3)频率范围或称幅频特性：灵敏度变化不超过允许值时可使用的频率范围。当仪器在允许的频率范围以外使用时，测量结果将有较大的误差，称为频率失真。这项误差应按频率特性曲线进行校正；
(4)相位角差或称相频特性：在使用的频率范围内，输出信号相位角与输入信号相位角的差随频率变化而改变的大小；
(5)重量：特别是当测振传感器要固定于被测对象上时，其重量将会影响被测对象的原始振动状态，因此应根据具体情况尽量选用小而轻的传感器；
(6)环境条件：诸如温度、湿度、磁场、噪声、射线等等对测振仪器的工作都有影响，在进行现场动平衡时尤应注意。
1.2.2振动传感器
传感器的型式和种类很多。按其工作原理不同，可以分为电参数变化型与发电型两类。电参数变化型传感器是将振动转换成电学参量，如电阻、电容、电感等。由于它本身不能产生电信号，因此，必须接入具有辅助电源的基本测量电路中，常用的有电涡流式、电容式、电阻式等等。发电型传感器是将被测振动参量直接变换成电信号，由于它本身能产生电信号，无需辅助电源，常用的有电磁式、电压式等等。
目前，常用的振动传感器有三种：速度传感器、涡流传感器和加速度传感器。转速和键相信号的测量仪器可以采用光电传感器、涡流传感器或电磁传感器。下面对这些传感器分别进行说明。
1、涡流传感器
涡流传感器是一种利用电涡流原理测量转子表面相对于传感器头部距离变化的非接触式传感器，目前在转轴振动测量中被广泛使用。
涡流传感器的工作原理是这样的：当传感器探头中的线圈有高频电流通过时， 即产生高频电磁场。这个磁场在探头邻近的被测金属导体表面产生感应电流。可以把金属导体也视为一个线圈，它与平行的传感器中的线圈之间的阻抗、等效阻抗和等效电感可以检测到，并显示出来，即可折算出传感器线圈与被测金属间的距离。这个距离可以由电压值的变化量反应出来。
如果被测金属表面与传感器之间的距离随时间而变化，则由测量线路输出的电压也随时间而变化。在被测金属体振动的状态下，测量线路将会给出两个量，一个是指被测金属相对传感器平均位置的直流电压U j ，即间隙电压；另一个是指示振动的交变电压Ud。平均位置的改变引起间隙电压的变化，振动幅值的改变造成输出交变量的变化。
涡流传感器的优点是频响范围宽，下限频率可达到零，这是速度传感器和加速度传感器所无法做到的，测试准确度受介质的影响小，比电容式等非接触电测法要稳定的多，但它的测试灵敏度和线形范围与被测金属材料有关。根据实验，被测轴是碳钢或低合金钢时，差别不大，高合金钢和其它金属材料都需要重新标定。
2、速度传感器
从原理上讲速度传感器是利用电磁感应原理。传感器吸附在被测物的表面且两者一起振动时，其中由弹簧支撑的动线圈相对于与传感器一体的磁铁做相对振动， 线圈的感应电动势与线圈相对于磁场的运动速度成正比，由此便可测得被测物的振动速度，积分一次得到振动位移。
速度传感器的频响范围通常为 10 Hz 到 1k Hz ，可测得的最低转速为 600 r / min 左右，低频性能更好的速度传感器下限可以到 4.5 Hz ，对应的转速为 270 r / min 左右，极低频率的测量需要特殊类型的速度传感器，但低于 2 Hz的振动无法用速度传感器测量。
在速度传感器中还有一种压电式速度传感器。这种传感器采用人造陶瓷材料和压电晶体，当它所吸附的轴承壳体振动时，压电晶体会产生电荷输出。由于结构中没有运动部件，使得这种传感器体积小，可靠性高，寿命长。它的频响范围是 4.5～ 5000 Hz ,测量的速度范围是 127 cm / s ，横向响应小于轴向灵敏度的 5%。
速度传感器安装使用很方便，属于无源器件，使用时不用外接直流电源，只需将信号电缆直接引至表计即可。
3、复合式传感器
复合式传感器是将涡流传感器和速度传感器合二为一。被测转轴相对于复合传感器的相对振动位移量由其中的涡流传感器取得，复合式传感器自身的绝对振动由其中的速度传感器测量，通过电路将这两路信号矢量相加，即可以得到转轴的绝对振动位移量。
二、实验台结构布置
实验台结构如图所示：
1-轴;2-轮盘;3-联轴器;4-电机;5-轴承;6-磁电式速度传感器;7-刻度盘
参考文献：
[1]沈士一，庄贺庆，等.汽轮机原理. 北京:水利电力出版社,1992.6
[2] 陆颂元.汽轮发电机组振动．北京:中国电力出版社,2002.32～36，45～47， 138～139，110～113